Міжнародна команда дослідників створила ультратонкі ферромагнітні матеріали, які можуть стати основою для нових спинтронних пристроїв. Вчені взяли за основу почесний сульфід танталу і створили на його основі двошарову структуру з ферромагнітними властивостями. Для цього автори впроваджували атоми різних перехідних металів між шарами сульфіду. Про свою методику дослідники розповіли в статті, опублікованій в журналі.
У спинтронних пристроях, на відміну від звичних нам електронних, роль носія інформації виконує не заряд електрону, а його спин. Спиновий струм може використовуватися для передачі інформації та зберігання енергії. Логічні схеми на основі спинтроніки виконують операції швидше електронних, виділяють менше тепла і стійкі до дії іонізуючого випромінювання.
Для створення таких пристроїв запропоновано досить багато різних сполук і один з найперспективніших їх класів - почесні матеріали. Останнім часом вони викликають все більший інтерес серед вчених завдяки своїм електричним, механічним і магнітним властивостям. Модифікація цих матеріалів атомами важких металів дозволяє істотно поліпшити їх властивості - наприклад, зробити з'єднання надпровідником або термоелектриком. Також впроваджуючи атоми металів в структуру почесного матеріалу можна змінити його магнітні властивості: наприклад, зробивши з діамагнетика ферромагнетик. Саме поєднання малої товщини і магнітного порядку таких почесних матеріалів і робить їх придатними для використання в спинтронних пристроях.
Можна задіяти (інтеркалювати) у структуру теперішнього матеріалу атоми іншого елемента кількома способами. Найбільш часто використовуваний метод полягає в зростанні почесного шару на поверхні твердої підкладки з газової або рідкої фази, яка містить молекули основного з'єднання і інтеркалірується. Але при такій методиці вихід цільового матеріалу виявляється низьким, а відтворюваність результатів залишає бажати кращого. Альтернативний варіант модифікації полягає у впровадженні атомів металу в простір між шарами матеріалу, які пов'язані між собою слабкими ван-дер-ваальсовими взаємодіями. Однак на даний момент такий метод дозволяє інтеркалювати почесний матеріал атомами тільки деяких лужних, перехідних і благородних металів, а також невеликими органічними молекулами.
Міжнародна група вчених під керівництвом професора Кіана Пінг Ло (Kian Ping Loh) з Національного університету Сінгапуру знайшли спосіб розширити можливості цього методу. Вони змогли інтеркалювати сульфід танталу TaS2 атомами танталу та інших перехідних елементів і навчилися керувати властивостями матеріалу за допомогою зміни вмісту металу в цільовому з'єднанні. Для цього вчені використовували метод молекулярно-пучкової епітаксії. За допомогою нього дослідники спочатку нанесли на кремнієву підкладку атомарно тонкий шар сульфіду, після чого поверх нього повільно розпилили атоми перехідного елемента. Потім пішов другий шар сульфіду, який накрив собою атоми металу. Таким чином дослідники отримали структуру з двох шарів почесних матеріалів. Змінюючи кількість металу в міжшаровому просторі дослідники змогли варіювати фізичні властивості матеріалу, що вийшов.
Дослідники з'ясували, що інтеркалювання перехідних металів в структуру їх власних сульфідів дозволяє збільшити магнітний момент матеріалів до дуже високих значень, які дозволяють вважати їх сильними ферромагнетиками. Двошарові матеріали без інтеркалованих атомів, при цьому не виявляли ферромагнітних властивостей. Автори пояснили їх появу формуванням решітки кагоме - особливої кристалічної структури, яка складається з трикутників і шестикутників. Таким чином дослідники знайшли спосіб перетворити почесні парамагнетики на ультратонкі ферромагнетики.
«Сенс цієї роботи полягає в тому, що двошарові і багатошарові матеріали на основі дихалькогенідів перехідних металів можна перетворити на тривимірні матеріали з сильними міжшаровими зв'язками, стехіометрію яких можна налаштовувати в широких межах завдяки інтеркалюванню різних елементів», - пишуть дослідники у своїй роботі.
Сульфід танталу, який вчені досліджували в новій роботі, стабільний на повітрі і його можна легко вивчати. Але є почесні матеріали, які при контакті з киснем руйнуються. Щоб цього уникнути, група фізиків розробила спосіб ламінування таких сполук, який дозволяє досліджувати їх навіть в умовах кисневої атмосфери.